(57)【要約】  誘導機１を駆動する電力変換器２と、電力変換器２を制御する制御部４０と、ブレーキ力指令を演算するブレーキ力指令演算部６と、を備え、制御部４０は、ｄ軸電流検出値ｉｄ、ｑ軸電流検出値ｉｑ、ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊、および速度情報ωに基づいて決定可能な第１の回生ブレーキ力ＢＰ１を演算するとともに、相電流情報Ｉｕ〜Ｉｗ、ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊、および速度情報ωに基づいて決定可能な第２の回生ブレーキ力ＢＰ２を演算して、速度情報ωに応じて選択された第１の回生ブレーキ力ＢＰ１と第２の回生ブレーキ力ＢＰ２との何れかをブレーキ力指令演算部６に対して出力する回生ブレーキ力演算部１２を有する。
2011070651.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流回転機を駆動する電力変換器と、
前記電力変換器を制御する制御部と、
ブレーキ力指令を演算するブレーキ力指令演算部と、
を備え、
前記制御部は、
前記交流回転機にて検出された電流情報に基づいて演算された直交軸電流、前記ブレーキ力指令に基づいて演算された前記電力変換器に対する電圧指令、および前記交流回転機の速度情報に基づいて第１の回生ブレーキ力を演算するとともに、
前記電流情報、前記電圧指令、および前記速度情報に基づいて第２の回生ブレーキ力を演算し、
前記第１の回生ブレーキ力と前記第２の回生ブレーキ力との何れかを前記速度情報に応じて選択し、前記ブレーキ力指令演算部に対して出力する回生ブレーキ力演算部を有すること、
を特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記制御部は、
前記速度情報に基づいて前記交流回転機の鉄損を含む損失を演算し、前記ブレーキ力指令演算部に対して出力される回生ブレーキ力を補正する補正部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記制御部は、
前記第１の回生ブレーキ力と前記第２の回生ブレーキ力との何れかを前記速度情報に応じて選択する所定の信号を生成する切替判断部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記所定の信号は、前記交流回転機のモータ定数の抵抗値と前記直交軸電流より算出することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項５】
交流回転機を駆動する電力変換器と、
前記電力変換器を制御する制御部と、
ブレーキ力指令を演算するブレーキ力指令演算部と、
を備え、
前記制御部は、
前記交流回転機にて検出された電流情報に基づいて演算された電流および電圧から磁束を演算し、
前記磁束と設定された所定の磁束との何れかを前記速度情報、あるいは前記交流回転機の電圧情報に応じて選択するとともに、
前記選択された磁束に基づき得られた回生ブレーキ力を前記ブレーキ力指令演算部に対して出力する回生ブレーキ力演算部を有すること、
を特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
前記制御部は、
前記速度情報に基づいて前記交流回転機の鉄損を含む損失を演算し、前記ブレーキ力指令演算部に対して出力される回生ブレーキ力を補正する補正部を備えたことを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記制御部は、
前記磁束と設定された所定の磁束との何れかを前記速度情報、あるいは前記電圧情報に応じて選択する所定の信号を生成する切替判断部を備えたことを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記所定の信号は、前記交流回転機のモータ定数の抵抗値と前記直交軸電流より算出することを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両もしくは電気自動車も含む電気車等に搭載される電力変換装置に関し、特に空気ブレーキと電気ブレーキとの協調に必要な回生ブレーキ力を演算する電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上記のような電気車等に搭載される電力変換装置では、回生ブレーキと空気ブレーキとを併用しているのが一般的であり、例えば、特別なトルクセンサなど用いずインバータ内で演算された回生ブレーキが回生ブレーキ演算結果として使用され、その演算結果が減少してくるに伴い、空気ブレーキが補足されることなどを行い安定なブレーキ力を得ている。すなわち、信頼性の高い回生ブレーキ制御装置を実現するためには、インバータ内で演算される回生ブレーキ演算結果が重要であり、その回生ブレーキ力演算結果は、正確にモータが出力している回生ブレーキ力を演算できている必要がある。【０００３】
そのため、従来のブレーキトルク演算では、モータの種類が変わるとトルク演算を変更する必要があり、例えば、下記特許文献１には誘導機のトルク演算方法が記載され、また、下記特許文献２にはＰＭモータ（永久磁石同期機）のトルク演算方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０７−０３１１７９号公報（段落「００１５」式３）
【特許文献２】特開平１０−０１４２７３号公報（段落「００４９」式２６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１および２には、誘導機とＰＭモータ（永久磁石同期機）の両方に採用できるブレーキトルク演算方法については触れられていない。すなわち、モータの種類を問うことがないブレーキトルク演算方法が記載されていない。また、従来のブレーキトルク演算方法では、電気車の運転条件によってモータ定数が変化した場合、正確に回生ブレーキ力を演算することができないという課題があった。【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電気車の運転条件によってモータ定数が変化しても、正確に回生ブレーキ力を演算することができる電力変換装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、交流回転機を駆動する電力変換器と、電力変換器を制御する制御部と、ブレーキ力指令を演算するブレーキ力指令演算部と、を備え、制御部は、交流回転機にて検出された電流情報に基づいて演算された直交軸電流、ブレーキ力指令に基づいて演算された電力変換器に対する電圧指令、および交流回転機の速度情報に基づいて第１の回生ブレーキ力を演算するとともに、電流情報、電圧指令、および速度情報に基づいて第２の回生ブレーキ力を演算し、第１の回生ブレーキ力と第２の回生ブレーキ力との何れかを速度情報に応じて選択し、ブレーキ力指令演算部に対して出力する回生ブレーキ力演算部を有すること、を特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、電気車の運転条件によってモータ定数が変化しても、正確に回生ブレーキ力を演算することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置の構成図である。
【図２】図２は、図１に示される第２のトルク演算部の構成図である。
【図３】図３は、図１に示される切替判別部の構成図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置の動作を説明するための図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態２にかかる電力変換装置の構成図である。
【図６】図６は、図５に示される磁束演算部の一の構成例を示す図である。
【図７】図７は、図５に示される磁束演算部の他の構成例を示す図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態２にかかる電力変換装置の動作を説明するための図である。
【図９】図９は、図５に示される損失演算部の構成図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態３にかかる電力変換装置の構成図である。
【図１１】図１１は、図１０に示される切替判別部の構成図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態４にかかる電力変換装置の構成図である。
【図１３】図１３は、図１２に示される切替判別部の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明にかかる電力変換装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置の構成図であり、図２は、図１に示される第２のトルク演算部の構成図であり、図３は、図１に示される切替判別部の構成図である。
【００１２】
図１において、電力変換装置は、主たる構成として、交流回転機である誘導機１と、誘導機１を駆動させる電力変換器２と、電力変換器２の直流側に並列接続された直流電源５と、誘導機１の速度を検出する速度情報検出部４と、電流検出器３ａ、３ｂ、３ｃと、図示しないブレーキ装置を動作させるブレーキ力指令演算部６と、制御部４０と、を有して構成されている。
【００１３】
電流検出器３ａ、３ｂ、３ｃは、誘導機１に発生する相電流情報（電流情報）Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出する。なお、図１には、交流側の電流検出器３として、電力変換器２と誘導機１との結線に流れる電流をＣＴ等により検出するものを記載しているが、これに限定されるものではなく、他の公知の手法、例えば、母線電流など電力変換器２内部に流れる電流を用いて相電流情報を検出する構成であってもよい。また、ｉｕ＋ｉｖ＋ｉｗ＝０の関係が成立し、例えば、ｕ、ｖ２相分の検出電流からｗ相の電流を求めることもできるため、３つの電流検出器のうち１つの電流検出器（上記の例でいえば３ｃ）を省略してもよい。ｕ、ｗ２相分の検出電流からｖ相の電流を求める場合も同様である。
【００１４】
制御部４０は、主たる構成として、ｄｑ／ｕｖｗ相変換部（座標変換部）１０、回生ブレーキ力演算部１２、電圧指令演算部８、積分部９、およびＰＷＭ制御部１１を有して構成されている。
【００１５】
ｄｑ／ｕｖｗ相変換部１０は、電流検出器３から得られた相電流情報Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを位相θの回転直交二軸（ｄ−ｑ軸）（以下、「回転二軸座標」と称する）上のｄ軸電流検出値ｉｄ、ｑ軸電流検出値ｉｑに座標変換する。なお、ｄｑ／ｕｖｗ相変換部１０は、公知の通り、三相電流を回転直交二軸へ座標変換をするときに制御座標軸が必要となる。この制御座標軸の位相をθとすると、この位相θは、積分部９によって速度情報（「角周波数」と称してもよい）ωを積分した値である。なお、角周波数ωは、本実施の形態では、誘導機１に取り付けられた速度情報検出部４よって得ているが、速度情報検出部４を取り付けない速度センサレス制御によって演算される速度推定値を用いてもよいことは言うまでもない。
【００１６】
ブレーキ力指令演算部６は、ブレーキ力演算部１３と減算器１４とを有して構成されている。ブレーキ力演算部１３は、図示しない運転台などの上位システムから出力されたブレーキステップ指令をブレーキ力指令に変換するためのものであり、例えば、係数を掛けることや単位変換などの演算を行い、入力されたブレーキステップ指令をブレーキ力指令に変換する。減算器１４は、ブレーキ力演算部１３からのブレーキ力指令から、回生ブレーキ力演算部１２で演算された回生ブレーキ力ＢＰを減算し、図示しない空制ブレーキなどの機械ブレーキを制御する部分に対して出力する。
【００１７】
電圧指令演算部８は、ブレーキ力指令演算部６からのブレーキ力指令と、速度情報検出部４で検出された速度情報ωと、に基づいて、電力変換器２を制御するためのｄ軸電圧指令Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を演算する。ＰＷＭ制御部１１は、ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊、および位相θを用いて、三相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊（図示せず）を演算し、当該三相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に基づいて電力変換器２がパルス幅制御を行うためのゲート信号を生成し電力変換器２に対して出力する。
【００１８】
以下、電圧指令演算部８およびＰＷＭ制御部１１の動作を述べた上で、本発明の特徴部分である回生ブレーキ力演算部１２の構成と動作を詳説する。電圧指令演算部８は、（１）式に示すように、ブレーキ力指令演算部６からのブレーキ力指令τ＊と、交流回転機のモータ定数と、交流回転機の特性から定まる２次磁束指令φ＊と、モータ定数（モータの相互インダクタンスＭ、モータの二次インダクタンスＬｒ、および極対数Ｐ）とを用いて、トルク電流指令Ｉｑ＊を演算する。
【００１９】
【数１】
2011070651.tif 000003
【００２０】
電圧指令演算部８は、（２）式に示すように、２次磁束指令と、モータ定数であるモータの相互インダクタンスＭとから、磁束電流指令Ｉｄ＊を演算する。
【００２１】
【数２】
2011070651.tif 000004
【００２２】
電圧指令演算部８は、（３）式に示すように、トルク電流指令Ｉｑ＊と、磁束電流指令Ｉｄ＊と、誘導機のモータ定数（モータの二次インダクタンスＬｒ、およびモータの二次抵抗値Ｒｒ）とを用いて、すべり角周波数指令ωｓ＊を演算する。
【００２３】
【数３】
2011070651.tif 000005
【００２４】
電圧指令演算部８は、（４）式に示すように、すべり角周波数指令ωｓ＊と、任意の角周波数ωとに基づいて、電力変換器１が出力する周波数に相当するインバータ角周波数ωｉｎｖを演算する。
【００２５】
【数４】
2011070651.tif 000006
【００２６】
電圧指令演算部８は、（５）式に示すように、インバータ角周波数ωｉｎｖと、トルク電流指令Ｉｑ＊と、磁束電流指令Ｉｄ＊と、モータ定数（モータの一次抵抗値Ｒｓ、モータの一次インダクタンスＬｓ、漏れインダクタンスσ）とを用いて、ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を演算する。ただし、σ＝１−Ｍ×Ｍ／Ｌｓ／Ｌｒとする。
【００２７】
【数５】
2011070651.tif 000007
【００２８】
電圧指令演算部８は、（５）式で演算されたｄｑ軸電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊をＰＷＭ制御部１１に出力するとともに、（４）式で演算されたインバータ角周波数ωｉｎｖを積分部９に出力する。積分部９は、公知の通り、三相電圧或いは三相電流を回転直交二軸へ座標変換をするときに、制御座標軸が必要となるが、任意の角周波数ωｉｎｖに基づいて制御座標軸の位相θを演算する。この位相θは、（６）式に示すように、インバータ角周波数ωｉｎｖを積分することにより得られる。
【００２９】
【数６】
2011070651.tif 000008
【００３０】
ＰＷＭ制御部１１は、（５）式より得られたｄ軸電圧指令Ｖｄ＊と、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊と、（６）式より得られた位相θとを用いて、三相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を演算（（８）式を参照）するが、電圧指令の電圧位相θｖは、（７）式に示すように位相θより若干進んだ値となる。
【００３１】
【数７】
2011070651.tif 000009
【００３２】
ＰＷＭ制御部１１は、（７）で得られた電圧位相θｖと、ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊と、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊とに基づいて、（８）式に示すように、三相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を算出する。
【００３３】
【数８】
2011070651.tif 000010
【００３４】
ＰＷＭ制御部１１は、電力変換器２がパルス幅制御を行うことができるように、三相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に基づくゲート信号を演算して電力変換器２に出力する。その結果、電力変換器２は、ブレーキ力指令τ＊通りに制御される。
【００３５】
次に、本発明の特徴部分である回生ブレーキ力演算部１２について述べる。回生ブレーキ力演算部１２は、主たる構成として、第１のトルク演算部１６、第２のトルク演算部１７、および切替部１５を有して構成されている。さらに、切替部１５は、切替判断部１８、切替処理部１９を有して構成されている。
【００３６】
第１のトルク演算部１６は、（９）式に示すように、ｄ軸電流検出値ｉｄ、ｑ軸電流検出値ｉｑと、ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊と、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊と、速度情報ωとに基づいて決定可能な第１の回生ブレーキ力ＢＰ１を演算する。
【００３７】
【数９】
2011070651.tif 000011
【００３８】
次に、図２において、第２のトルク演算部１７は、主たる構成として、電流演算部２１と、電圧演算部２２と、磁束演算部２６と、ブレーキ演算部４２とを有して構成されている。さらに、ブレーキ演算部４２は、掛算器２４ａ、２４ｂ、２４ｃと、減算器２５とを有して構成されている。このように構成された第２のトルク演算部１７は、電流検出器３で検出された相電流情報Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗと、ｄｑ軸電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊と、速度情報ωとに基づいて決定可能な第２の回生ブレーキ力ＢＰ２を演算する。このことを具体的に説明すると以下の通りである。
【００３９】
電流演算部２１は、（１０）式に示すように、３相の相電流情報Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを、静止座標系（αβ座標系）上の２軸成分であるα軸電流Ｉαとβ軸電流Ｉβとに変換する。
【００４０】
【数１０】
2011070651.tif 000012
電圧演算部２２は、（１１）式に示すように、速度情報ωを積分して固定二軸座標である制御座標軸の位相θ１を演算する。
【００４１】
【数１１】
2011070651.tif 000013
【００４２】
電圧演算部２２は、（１２）式に示すように、その位相θ１を用いてｄｑ軸電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊をα軸電圧Ｖαおよびβ軸電圧Ｖβに変換する。
【００４３】
【数１２】
2011070651.tif 000014
【００４４】
磁束演算部２６は、（１３）式に示すように、上述したα軸電流Ｉα、β軸電流Ｉβ、α軸電圧Ｖα、およびβ軸電圧Ｖβに基づいて、α軸磁束φαおよびβ軸磁束φβを演算する。
【００４５】
【数１３】
2011070651.tif 000015
【００４６】
減算器２５は、掛算器２４ａからのα軸磁束φαおよびβ軸電流Ｉβが掛け合わされた値と、掛算器２４ｂからのβ軸磁束φβおよびα軸電流Ｉαが掛け合わされた値との差分を求める。掛算器２４ｃは、減算器２５からの出力と、モータ定数である極対数Ｐｎとに基づいて、（１４）式に示す第２の回生ブレーキ力ＢＰ２を演算する。
【００４７】
【数１４】
2011070651.tif 000016
【００４８】
図３において、切替判断部１８を構成する比較部３０には、速度情報ωが入力されるとともに切替速度ωｆｃｎが設定されている。切替判断部１８は、第１のトルク演算部１６で演算された第１の回生ブレーキ力ＢＰ１と、第２のトルク演算部１７で演算された第２の回生ブレーキ力ＢＰ２とを切り替えるタイミングを判断しており、速度情報ωが切替速度ωｆｃｎより小さくなったとき、切替処理部１９の接点をＢからＡに切り替えるための切替信号（所定の信号）を出力する。
【００４９】
切替処理部１９は、切替判断部１８からの切替信号に基づいて、接点をＢ接点からＡ接点に切り替える。切替が必要な理由を説明すると、モータの抵抗は、温度によって値が変化するわけであるが、モータの特性上、速度が低い領域ほど一次抵抗Ｒｓの変動の影響が多くなる。第１の回生ブレーキ力ＢＰ１は、（９）式で示されるように一次抵抗Ｒｓを含まないため、一次抵抗Ｒｓの変動の影響が少ない低速向けであるといえる。他方、第２の回生ブレーキ力ＢＰ２は、（１３）、（１４）式で示されるように一次抵抗Ｒｓを含むため、一次抵抗Ｒｓの変動の影響を受けやすいが、モータの相互インダクタンスＭ、モータの二次インダクタンスＬｒ、およびモータの二次抵抗値Ｒｒを用いないので、それらの変動に対してロバストである（それらの変動があった場合でも、正確に交流回転機が出力しているブレーキ力を演算することができる）。切替部１５は、これらのＢＰ１およびＢＰ２の特長を踏まえて、速度条件に基づいて切替信号を出力するように構成されている。切替速度ωｆｃｎは、誘導機の場合、一次抵抗の変動を考慮して誘導機のモータ定数から決める必要がある。特に、（５）式に示された電圧指令Ｖｑによって決める。このことを具体的に説明すると、例えば、電圧指令Ｖｑは、Ｖｑ＝Ｒｓ×Ｉｑ＊＋ωｉｎｖ×Ｌｓ×Ｉｄ＊として示されるが、この式中のＲｓ×Ｉｑ＊よりωｉｎｖ×Ｌｓ×Ｉｄ＊を大きくすることにより、一次抵抗の変動を考慮してωｉｎｖを選択する必要があった。ここで、ωｉｎｖ＝ωｆｃｎとすると、Ｒｓ×Ｉｑ＊＜ωｆｃｎ×Ｌｓ×Ｉｄ＊となり、さらにωｆｃｎ＞（Ｒｓ×Ｉｑ＊）/（Ｌｓ×Ｉｄ＊）となるため、上記式より切替速度ωｆｃｎを決めることができる。なお、Ｉｄ＊およびＩｑ＊については、誘導機の定格電流を入れて決めることができる。
【００５０】
図４は、本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置の動作を説明するための図である。図４（ａ）に示すように、速度情報ωがωｆｃｎより高い速度領域では、切替処理部１９の接点はＢであるため、図４（ｃ）に示される第２の回生ブレーキ力ＢＰ２が回生ブレーキ力ＢＰとして、ブレーキ力指令演算部６の減算器１４に対して出力されている（図４（ｄ）参照）。
【００５１】
速度情報ωがωｆｃｎより小さくなったとき（時刻ｔ１）、切替処理部１９の接点がＢからＡに切替わるため、図４（ｂ）に示される第１の回生ブレーキ力ＢＰ１が回生ブレーキ力ＢＰとして出力される（図４（ｄ）参照）。切替処理部１９からの回生ブレーキ力ＢＰは、ブレーキ力指令演算部６に入力される。減算器１４は、ブレーキ力指令τ＊から回生ブレーキ力ＢＰを減算して得られたブレーキ力を空制ブレーキに対して出力する。
【００５２】
なお、本実施の形態では、交流回転機として誘導機を用いて説明したが、ＰＭモータ（永久磁石同期機）でも同様に実施できることは言うまでもない。
【００５３】
以上に説明したように、本実施の形態にかかる電力変換装置は、第１の回生ブレーキ力ＢＰ１と第２の回生ブレーキ力ＢＰ２との何れかを速度情報ωに応じて選択し、ブレーキ力指令演算部６に対して出力する回生ブレーキ力演算部１２を備えるようにしたので、電気車の運転条件によってモータ定数が変化した場合であっても、従来技術に比して、正確に回生ブレーキ力を演算することが可能である。また、本実施の形態にかかる電力変換装置では、モータの種類が電気車に用いられる誘導機やＰＭモータ（永久磁石同期機）などの交流回転機であれば、何れの交流回転機であっても採用可能である。すなわち、モータの種類を問うことがない。
【００５４】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２にかかる電力変換装置の構成図であり、図６は、図５に示される磁束演算部の一の構成例を示す図であり、図７は、図５に示される磁束演算部の他の構成例を示す図であり、図８は、本発明の実施の形態２にかかる電力変換装置の動作を説明するための図であり、図９は、図５に示される損失演算部の構成図である。図５において、本実施の形態にかかる制御部４１は、１種類のトルク演算部５０のみ有しており、切替部２３で磁束演算部３１の出力を速度条件で切り替えていることが特徴である。また、鉄損などの損失の影響で回生ブレーキ力が減少した分を補正する補正部５１を備えていることも特徴である。また、本実施の形態は、交流回転機である同期機３８を用いて説明を行うが、誘導機でも同様の効果を得ることができる。以下、実施の形態１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００５５】
図５において、本実施の形態にかかる回生ブレーキ力演算部２０は、主たる構成として、トルク演算部５０と、補正部５１とを有して構成されている。トルク演算部５０は、電流演算部２１、電圧演算部２２、磁束演算部３１、切替部２３、およびブレーキ演算部４３を有して構成されている。切替部２３は、切替判断部１８と、切替処理部２７と、切替処理部２８とを有して構成され、ブレーキ演算部４３は、図２に示したブレーキ演算部４２と同様に、掛算器２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、および減算器２５を有して構成されている。なお、補正部５１の構成に関しては、後述する。
【００５６】
図６において、磁束演算部３１は、主たる構成として、電流演算部２１で演算されたα軸電流Ｉαに抵抗分Ｒを掛けるゲイン器３３ａと、電流演算部２１で演算されたβ軸電流Ｉβに抵抗分Ｒを掛けるゲイン器３３ｂと、電圧演算部２２で演算されたα軸電圧Ｖαからゲイン器３３ａの出力を減算する減算器３２ａと、電圧演算部２２で演算されたβ軸電圧Ｖβからゲイン器３３ｂの出力を減算する減算器３２ｂと、一次遅れ部３４ａと、一次遅れ部３４ｂとを有して構成されている。
【００５７】
実施の形態１では、（１３）式に示したように、減算した値を積分してα軸磁束φαおよびβ軸磁束φβを算出していたが、本実施の形態では、一次遅れ部３４ａ、３４ｂを用いてα軸磁束φαおよびβ軸磁束φβを算出している。積分から一次遅れに変更するのは、電圧、電流のリプルを除去できる効果があるのに加えて、純粋な積分を用いると電圧演算部２２で演算された電圧Ｖα、Ｖβや電流検出器３などに存在する直流オフセットがある場合に、演算結果が発散する可能性がある。そのため、一次遅れ部３４ａ、３４ｂによる近似積分を用いることにより、一次遅れ部による近似積分器の時定数Ｔと切替速度ωｆｃｎとの関係が明確になる。つまり、一次遅れ部３４ａ、３４ｂの出力信号であるα軸磁束φαおよびβ軸磁束φβは、時定数Ｔより高い信号に対して純粋な積分とほぼ同じ値する。言い換えれば、一次遅れ部３４ａ、３４ｂの出力信号φα、φβは、時定数Ｔ以下では純粋な積分と異なる値となり、信頼性が低下する。そのため、切替速度ωｆｃｎを時定数Ｔより高くすることにより、信頼性が高い値を選択することができる。時定数Ｔと切替速度ωｆｃｎの関係は、（１５）式で表現できる。
【００５８】
【数１５】
2011070651.tif 000017
【００５９】
なお、一次遅れ部３４ａ、３４ｂは、図７に示すように積分部３５ａ、３５ｂと、減算器３４ａ、３４ｂと、ゲイン器３６ａ、３６ｂと、によって構成してもよい。ゲイン器３６ａ、３６ｂに時定数Ｔの逆数１／Ｔを設定することにより、概ね一次遅れ部３４ａ、３４ｂと同様の動作をさせることができる。図７の構成は、図６と比較して構成要素は増えているように見えるが、一次遅れ部３４ａ、３４ｂをソフトウエアで実現する場合に比して、ソフトウエアの容量を削減することが可能である。
【００６０】
図５において、切替処理部２８には、磁束演算部３１で演算されたα軸磁束φαと、所定の設定値（本実施の形態では、モータ定数から決めることができる所定の磁束である磁束指令φ＊）とが入力され、切替処理部２８は、切替判断部１８からの切替信号（所定の信号）に応じて、α軸磁束φαと磁束指令φ＊との何れかを選択して出力する。また、切替処理部２７には、磁束演算部３１で演算されたβ軸磁束φβと、所定の設定値（本実施の形態では０）とが入力され、切替処理部２７は、切替判断部１８からの切替信号に応じて、β軸磁束φβと０との何れかを選択して出力する。
【００６１】
図５に示される切替判断部１８には、実施の形態１と同様に、速度情報ωが入力され、この切替判断部１８は、速度情報ωに基づいて、α軸磁束φαから磁束指令φ＊に切り替えるタイミングと、β軸磁束φβから０に切り替えるタイミングとを判断する。より具体的には、切替判断部１８は、速度情報ωが切替速度ωｆｃｎより小さくなったとき、切替処理部２７、２８の接点をＢからＡに切り替えるための切替信号を出力する。
【００６２】
切替が必要な理由を説明すると以下の通りである。図６に示すように磁束演算部３１は、ゲイン器３３ａ、３３ｂにおいてモータ定数である抵抗Ｒを使用している。実際のモータの抵抗は、温度によって値が変化するが、磁束演算の抵抗値（上記抵抗Ｒ）は、例えば１１５℃における設計値（抵抗値）を用いている。そのため、実際のモータの抵抗値と磁束演算の抵抗値との間に差異ができることは当然であり、そのことにより磁束演算の精度が低下し、正確なトルク演算に影響を与える。その影響は、モータ特性上、速度が低い領域ほど顕著になる。
【００６３】
そこで、切替処理部２７は、速度情報ωがωｆｎより小さくなると、切替信号に応じて接点をＢからＡに切り替えて０を出力する。実際のモータのβ軸磁束φβは、速度が低下するとほぼ０となるため、磁束φβを０に置き換えても問題はない。
【００６４】
また、切替処理部２８では、速度情報ωがωｆｎより小さくなると、切替信号に応じて接点をＢからＡに切り替え磁束指令φ＊を出力する。なお、実際のモータのα軸磁束φαは、速度が低下するとほぼ磁束指令φ＊に一致することになるため、磁束指令φ＊に置き換えても問題はない。
【００６５】
切替処理部２７からの出力は、掛算器２４ａに入力され、切替処理部２８からの出力は、掛算器２４ｂに入力される。以下、減算器２５および掛算器２４ｃに関しては、実施の形態１と同様であり、その説明は省略する。
【００６６】
図５に示される回生ブレーキ力演算部２０は、実施の形態１と異なる部分として、速度情報ωを入力とする損失演算部３７と、ブレーキ力指令演算部５０からブレーキ力指令演算部６に対して出力される回生ブレーキ力ＢＰを補正するための減算器３９とを有して構成された補正部５１を備えている。損失演算部３７は、速度情報ωを入力として、モータの鉄損など、磁束演算部３１に考慮されていない損失分ΔＬｏを求めるものである。なお、後述する図８により予め損失が把握できる場合には、テーブルにより設定することが可能あり、もしくは、速度ωの関数などにして関数として設定することも可能である。このことによりモータの詳細な損失を考慮することができ、回生ブレーキ力ＢＰを、実際のモータが出力している回生トルク力に一致させることができる。すなわち、本実施の形態にかかる回生ブレーキ力演算部２０は、鉄損などの影響も考慮できるので、正確に回生ブレーキ力を演算することが可能である。
【００６７】
図８（ａ）に示すように、速度情報ωがωｆｃｎより高い速度領域では、切替処理部２７、２８の接点はＢであるため、切替部２３からの出力は、図８（ｂ）、（ｃ）に示す磁束φαおよびφβである。このときの掛算器２４ｃからの出力（回生ブレーキ力ＢＰ）は、ＢＰ＝Ｐｎ×（φα×Ｉβ−φβ×Ｉα）となる（図８（ｅ）参照）。
【００６８】
速度情報ωがωｆｃｎより小さくなったとき（時刻ｔ１）、切替処理部２７、２８の接点がＢからＡに切替わるため、切替部２３の出力は、図８（ｄ）に示されるように、磁束指令φ＊となる。従って、掛算器２４ｃの出力（回生ブレーキ力ＢＰ）は、図８（ｅ）に示されるように、ＢＰ＝Ｐｎ×φ＊×Ｉβとなる。
【００６９】
なお、実施の形態２で説明した補正部５１は、実施の形態１にかかる制御部４０にも適用可能であり、例えば、図１に示す回生ブレーキ力演算部１２の出力端に補正部５１と同等の機能を構成することで実現可能である。
【００７０】
以上に説明したように、本実施の形態にかかる電力変換装置は、トルク演算部５０によってα軸電圧Ｖα、β軸電圧Ｖβ、α軸電流Ｉα、およびβ軸電流Ｉβを演算し、磁束指令φ＊とα軸磁束φαとの何れかを速度情報ωに応じて選択するとともに、選択された磁束に基づき得られた回生ブレーキ力ＢＰをブレーキ力指令演算部６に対して出力するようにしたので、電気車の運転条件によってモータ定数が変化した場合であっても、従来技術に比して、正確に回生ブレーキ力を演算することが可能である。また、本実施の形態にかかる電力変換装置では、モータの種類が電気車に用いられる誘導機やＰＭモータ（永久磁石同期機）などの交流回転機であれば、何れの交流回転機であっても採用可能である。すなわち、モータの種類を問うことがない。
【００７１】
また、本実施の形態にかかる電力変換装置は、１種類のトルク演算部５０のみ用いているため、実施の形態１と比較してソフトウエアの量を減らすことができ、安価なマイコンを適用することが可能である。すなわち、実施の形態１と比較して、低コスト化を図ることが可能である。なお、本実施の形態は、交流回転機である同期機を用いて説明を行ったが誘導機でも同様に実施できることは言うまでもない。
【００７２】
実施の形態３．
図１０は、本発明の実施の形態３にかかる電力変換装置の構成図であり、図１１は、図１０に示される切替判別部５３の構成図である。本実施の形態にかかる制御部４２は、切替判断部５３において、モータ定数、磁束電流指令Ｉｄ＊、およびトルク電流指令Ｉｑ＊より算出していることが特徴である。以下、実施の形態１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００７３】
図１１に示す切替判断部５３において、切替速度ωｆｃｎは、第１の実施の形態で述べたように決めている。すなわち、切替速度ωｆｃｎは、誘導機の場合，一次抵抗の変動を考慮して誘導機のモータ定数から決める必要がある。特に、（５）式に示された電圧指令Ｖｑによって決める。例えば、電圧指令Ｖｑは、Ｖｑ＝Ｒｓ×Ｉｑ＊＋ωｉｎｖ×Ｌｓ×Ｉｄ＊として示されるが、この式中のＲｓ×Ｉｑ＊よりωｉｎｖ×Ｌｓ×Ｉｄ＊を大きくすることにより、一次抵抗の変動を考慮してωｉｎｖを選択する必要があった。ここで、ωｉｎｖ＝ωｆｃｎとすると、Ｒｓ×Ｉｑ＊＜ωｆｃｎ×Ｌｓ×Ｉｄ＊となり、さらにωｆｃｎ＞（Ｒｓ×Ｉｑ＊）/（Ｌｓ×Ｉｄ＊）となるため、上記式より切替速度ωｆｃｎを決めることができる。なお、Ｉｄ＊およびＩｑ＊については、誘導機の定格電流を入れて決めることができる。このように本実施の形態は、上記式によって切替速度ωｆｃｎを決めるように切替判別部５３を構成したことが特徴である。切替判断部５３を構成する比較部３０は、速度情報ωが上記演算で得られた切替速度ωｆｃｎより小さくなったとき、切替処理部１９の接点をＢからＡに切り替えるための切替信号（所定の信号）を出力する。
【００７４】
以上に説明したように、本実施の形態にかかる電力変換装置は、第１の回生ブレーキ力ＢＰ１と第２の回生ブレーキ力ＢＰ２との何れかを速度情報ωに応じて選択し、ブレーキ力指令演算部６に対して出力する回生ブレーキ力演算部１２を備えるようにしたので、電気車の運転条件によってモータ定数が変化した場合であっても、従来技術に比して、正確に回生ブレーキ力を演算することが可能である。
【００７５】
また、本実施の形態にかかる電力変換装置は、第１の実施の形態と比べて、切替速度を簡単に決めることが可能である。なお、この考え方は、第２の実施の形態の構成でも採用できることは言うまでもない。
【００７６】
実施の形態４．
図１２は、本発明の実施の形態４にかかる電力変換装置の構成図であり、図１３は、図１２に示される切替判別部５５の構成図である。本実施の形態にかかる制御部４３は、切替判断部５５が電圧情報条件で切替信号（所定の信号）を出力することにより、切替部５４で磁束演算部３１の出力を切り替えていることが特徴である。また、本実施の形態は、交流回転機である同期機３８を用いて説明を行うが、誘導機でも同様の効果を得ることができる。以下、実施の形態２と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００７７】
図１３に示す切替判断部５５は、ｑ軸電圧指令Ｖｑ*およびトルク電流指令Ｉｑ＊入力するとともに、抵抗の変動を考慮して、抵抗Ｒとトルク電流指令Ｉｑ＊を掛け合わせた値に抵抗変動を考慮した係数２倍を掛けた値（電圧情報）Ｖｑｆｃとｑ軸電圧指令（電圧情報）Ｖｑ*とを比較部３０で比較し、Ｖｑ*がＶｑｆｃより大きくなったときに切替信号を出力するようにしたものである。なお、本実施の形態は、ｑ軸電圧指令によって切り替えたが、これに限定されるものではなく、例えば、ｄ軸電圧指令、ｑ軸電圧指令とｄ軸電流指令の大きさ、もしくは変調率によって切り替える態様であってもよいことは言うまでもない。
【００７８】
以上に説明したように、本実施の形態にかかる電力変換装置は、トルク演算部５０によってα軸電圧Ｖα、β軸電圧Ｖβ、α軸電流Ｉα、およびβ軸電流Ｉβを演算し、電圧情報に基づいて磁束指令φ＊とα軸磁束φαとを切替え、回生ブレーキ力ＢＰとして出力するようにしたので、電気車の運転条件によってモータ定数が変化した場合、特に抵抗の変動があっても、従来技術に比して、正確に回生ブレーキ力を演算することが可能である。また、本実施の形態にかかる電力変換装置では、モータの種類が電気車に用いられる誘導機やＰＭモータ（永久磁石同期機）などの交流回転機であれば、何れの交流回転機であっても採用可能である。すなわち、モータの種類を問うことがない。
【００７９】
なお、実施の形態２で説明した補正部５１は、実施の形態３にかかる制御部４２、および実施の形態４にかかる制御部４３にも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
以上のように、本発明は、鉄道車両もしくは電気自動車も含む電気車等に搭載される電力変換装置に適用可能であり、特に、電気車の運転条件によってモータ定数が変化しても、正確に回生ブレーキ力を演算することができる発明として有用である。
【符号の説明】
【００８１】
１  誘導機
２  電力変換器
３ａ，３ｂ，３ｃ  電流検出器
４  速度情報検出部
５  直流電源
６  ブレーキ力指令演算部
８  電圧指令演算部
９  積分部
１０  ｄｑ／ｕｖｗ相変換部（座標変換部）
１１  ＰＷＭ制御部
１２，２０  回生ブレーキ力演算部
１３  ブレーキ力演算部
１４，２５，３２ａ，３２ｂ，３９  減算器
１５，２３，５２，５４  切替部
１６  第１のトルク演算部
１７  第２のトルク演算部
１８，５３，５５  切替判断部
１９，２７，２８  切替処理部
２１  電流演算部
２２  電圧演算部
２４ａ，２４ｂ，２４ｃ  掛算器
２６，３１  磁束演算部
２９  ブレーキ演算部
３０  比較部
３３ａ，３３ｂ，３６ａ，３６ｂ  ゲイン器
３４ａ，３４ｂ  一次遅れ部
３５ａ，３５ｂ  積分器
３７  損失演算部
３８  同期機
４０，４１，４２，４３  制御部
４２，４３  ブレーキ演算部
５０  トルク演算部
５１  補正部
ＢＰ  回生ブレーキ力
ＢＰ１  第１の回生ブレーキ力
ＢＰ２  第２の回生ブレーキ力
Ｉｄ＊  磁束電流指令
Ｉｑ＊  トルク電流指令
Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ  相電流情報（電流情報）
Ｉα  α軸電流
Ｉβ  β軸電流
ｉｄ  ｄ軸電流検出値
ｉｑ  ｑ軸電流検出値
Ｖα  α軸電圧
Ｖβ  β軸電圧
Ｖｄ＊  ｄ軸電圧指令
Ｖｑ＊  ｑ軸電圧指令
Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊  三相電圧指令
τ＊  ブレーキ力指令
ω  速度情報
ωｆｃｎ  切替速度
ωｓ＊  すべり角周波数指令
ωｉｎｖ  インバータ角周波数
φα  α軸磁束
φβ  β軸磁束
φ＊  磁束指令（所定の磁束）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2011070651.tif 000028
【図１２】
2011070651.tif 000029
【図１３】
2011070651.tif 000030
【国際調査報告】
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2011070651.tif 000032
2011070651.tif 000033
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